X波段微帶環(huán)行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

王計(jì)鵬 陳 明

（西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院 西安 710121）

1 引言

作為無(wú)線通訊領(lǐng)域內(nèi)的主力軍，微波通信技術(shù)被普遍應(yīng)用于軍事設(shè)備的研制和民用等方面。而鐵氧體環(huán)行器作為一種單向傳遞微波信號(hào)的微波器件在整個(gè)射頻收發(fā)系統(tǒng)［1］中具有非常重要的作用。例如，精密制導(dǎo)雷達(dá)、艦載雷達(dá)、機(jī)載、遠(yuǎn)程警戒預(yù)警雷達(dá)，導(dǎo)航和炮描雷達(dá)等都采用了相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，相控陣?yán)走_(dá)中最核心的就是發(fā)射與接收系統(tǒng)，環(huán)行器應(yīng)用其中，對(duì)整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣起著不可替代的作用。此外，環(huán)行器的第三端口可以外接50Ω的匹配負(fù)載，作為隔離器，應(yīng)用于放大器的輸入和輸出端來(lái)保護(hù)系統(tǒng)［2～3］。環(huán)行器這種單向傳遞微波信號(hào)［4］的非互易性微波器件［5］已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗、航天航空、微波測(cè)量［6～9］等主要領(lǐng)域。

隨著微波集成電路的不斷發(fā)展，微波器件逐漸向片式化、小尺寸、高集成度化方向發(fā)展，對(duì)于環(huán)行器的設(shè)計(jì)也有了越來(lái)越高的要求［10］。微帶環(huán)行器是為了滿足微波集成電路的需要而研制出的新型微波鐵氧體器件。它相對(duì)于同軸環(huán)行器，波導(dǎo)環(huán)行器等其他類型的環(huán)行器而言，具有結(jié)構(gòu)緊湊，輕量化、小型化、生產(chǎn)周期短。并具有一致性好，價(jià)格成本低，便于實(shí)現(xiàn)單片集成等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，使得其在微波集成電路中得到了廣泛應(yīng)用。而X頻段應(yīng)用于空間研究、廣播衛(wèi)星、固定通訊業(yè)務(wù)衛(wèi)星、地球探測(cè)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等用途。因此對(duì)X波段微帶環(huán)行器研究設(shè)計(jì)，具有重要的實(shí)踐意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 工作原理

三端口環(huán)行器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，信號(hào)從1端口輸入時(shí)將從2端口輸出，2端口輸入時(shí)則從3端口輸出，3端口輸入時(shí)將從1端口輸出，以此單方向循環(huán)，實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的單向傳播。

由圖2（a）所示，當(dāng)未加偏置磁場(chǎng)時(shí)，鐵氧體處于未被磁化狀態(tài)，自1端口輸入的波在2端口和3端口的場(chǎng)型分布是一樣的，1端口輸入的功率可以等分至2、3端口傳輸，沒(méi)有環(huán)行效果。

由圖2（b）所示，當(dāng)加上恒定磁場(chǎng)以后，場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。電磁波在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生旋磁效應(yīng)。鐵氧體內(nèi)及其周圍的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)就會(huì)向左旋方向旋轉(zhuǎn)。適當(dāng)?shù)母淖冭F氧體基片的尺寸和外加偏置磁場(chǎng)H0的數(shù)值，使得旋轉(zhuǎn)角度為30°時(shí)，就會(huì)使得從1端口輸入的功率幾乎全部從2端口輸出，而3端口隔離，沒(méi)有功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)行效果。

3 設(shè)計(jì)思路與建模

依據(jù)環(huán)行器工作的頻帶來(lái)確定其中心頻率f0，然后選擇適當(dāng)?shù)蔫F磁共振線寬▽H，飽和磁化強(qiáng)度MS以及相對(duì)介電常數(shù)εr的鐵氧體材料。然后根據(jù)雙Y結(jié)環(huán)行條件求得（；KR；Y）等參量值，并確定外加偏置磁場(chǎng)H0得到歸一化飽和磁化強(qiáng)度P和歸一化內(nèi)場(chǎng)σ等磁參數(shù)。根據(jù)這些參量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

環(huán)行器屬于低場(chǎng)器件，外加的偏置磁場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于諧振磁場(chǎng)，通常需要將樣品磁化到飽和，所以

其中，k和μ分別為鐵氧體張量磁導(dǎo)率的對(duì)角分量和非對(duì)角分量。

其中，MS為飽和磁化強(qiáng)度，γ為有效旋磁比，P為歸一化飽和磁化強(qiáng)度。通常P的取值范圍為0.4～0.7，為了避免零場(chǎng)損耗，使環(huán)行器獲得較寬的工作帶寬，P取值應(yīng)該大一些，本設(shè)計(jì)中P取值為0.7。

其中μe為有效磁導(dǎo)率。

第二步確定KR的值；

從麥克斯韋方程組出發(fā)，根據(jù)環(huán)行器的第一環(huán)行條件，可得到鐵氧體的半徑為

其中R為鐵氧體半徑，K為波數(shù)

根據(jù)蔣仁培等人的理論研究［11～12］，KR的取值范圍在1.2～2.7內(nèi)仍滿足環(huán)行條件，對(duì)于低場(chǎng)器件而言，工作磁場(chǎng)遠(yuǎn)低于諧振場(chǎng)，盡管外磁場(chǎng)較強(qiáng)可以使得鐵氧體材料在趨于飽和狀態(tài)下工作，本文中KR取較小值為1.2。

第三步確定y的值；

已知KR取值后結(jié)合環(huán)行器的第二環(huán)行條件計(jì)算可得到Y(jié)值。

其中Yeff為鐵氧體微帶線的特性導(dǎo)納，ψ為耦合角。

端口1上的輸入導(dǎo)納與端口2上的輸出導(dǎo)納必須調(diào)整到與由式（5）計(jì)算出的導(dǎo)納相匹配，取倒數(shù)之后，即達(dá)到阻抗匹配。

基于以上的的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)公式，采用基片厚度為0.6mm牌號(hào)為XN28的鎳系鐵氧體材料，其飽和磁化強(qiáng)度為2800Gauss，相對(duì)介電常數(shù)εr為12.6，通過(guò)式（4）計(jì)算得到鐵氧體半徑R約為1.7mm。

根據(jù)鎳鐵氧體材料的電磁參數(shù)和計(jì)算得到的尺寸值，使用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行建模、仿真。其三維模型如圖3所示。環(huán)行器結(jié)構(gòu)中包括鐵氧體圓盤，大小Y結(jié)和50Ω微帶線。它是在大Y結(jié)基礎(chǔ)上加上一個(gè)小Y結(jié)，采用結(jié)內(nèi)加阻抗技術(shù)，小Y臂作為λ 4開(kāi)路線，與復(fù)數(shù)的端口阻抗的電抗部分相互抵消，使得端口阻抗為純電阻。通過(guò)調(diào)節(jié)小Y結(jié)的長(zhǎng)和寬，可以在比較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，采用結(jié)內(nèi)加阻抗的方法，不僅可以有效減小環(huán)行器設(shè)計(jì)的尺寸，而且能夠拓寬工作帶寬［13］。

4 仿真優(yōu)化及結(jié)果分析

利用HFSS，通過(guò)仿真，參數(shù)掃描、優(yōu)化分析［14］之后，得到當(dāng)小Y結(jié)的寬度為0.76mm時(shí)，環(huán)行器性能相對(duì)達(dá)到最佳。各項(xiàng)性能指標(biāo)的仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

如圖4可以看出，在8.8GHz處，性能比較理想，此時(shí)的隔離度約在-40dB左右，回波損耗約為-28dB，插入損耗約在-0.42dB左右。在所研究的X頻段范圍內(nèi)的回波損耗和隔離度都約在-20dB以下，插入損耗約在-0.5dB以內(nèi)，從而滿足設(shè)計(jì)要求，具有比較理想的環(huán)行性能和良好的隔離性能，從而有效實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的單向傳遞性能。

如圖5所示，可以看出三個(gè)端口在工作頻段范圍內(nèi)的駐波比均小于1.22，從而有效降低能量的反射損耗，實(shí)現(xiàn)良好的環(huán)行性能。

5 實(shí)物制作與測(cè)試

將仿真模型導(dǎo)出版圖進(jìn)行實(shí)物制作，對(duì)鐵氧體基片表面進(jìn)行拋光處理，然后采用磁控濺射技術(shù)在基片表面沉積厚度約為3μm的金膜，經(jīng)薄膜光刻腐蝕之后，所制備出的環(huán)行器樣品如圖6所示。

將環(huán)行器的一端口接50Ω匹配負(fù)載，采用Ag?ilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

通過(guò)圖4、圖5和圖7、圖8的對(duì)比，可以看出仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在誤差允許的范圍內(nèi)基本吻合，這主要是由于鐵氧體材料是一種非線性磁性材料，其材料電磁參數(shù)的測(cè)量值存在一定的偏差，在HFSS中材料的電磁參數(shù)與實(shí)際材料的電磁參數(shù)有偏差，以及實(shí)際制作工藝過(guò)程中存在的工藝誤差引起的。

6 結(jié)語(yǔ)

基于帶狀線環(huán)行器設(shè)計(jì)理論，采用四分之一波長(zhǎng)阻抗變換，提出了X波段雙Y結(jié)微帶環(huán)行器的設(shè)計(jì)思路，利用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行建模、仿真及優(yōu)化分析，并最終設(shè)計(jì)出了一款應(yīng)用于X波段范圍內(nèi)的微帶環(huán)行器，且做出實(shí)物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，X波段微帶環(huán)行器具有良好的環(huán)行性能，相對(duì)帶寬達(dá)到40%，隔離度大于20dB，插入損耗約在0.5dB左右，電壓駐波比約在1.22左右。實(shí)現(xiàn)了“超”帶寬特性。此外，所設(shè)計(jì)的環(huán)行器尺寸約在8mm*8mm左右，也滿足了小型化，高集成度化的設(shè)計(jì)要求。

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